Produção e caracterização de monolitos catalíticos para reação de reforma a vapor e oxidação parcial de etanol

Abstract

Hidrogênio (H2) é uma fonte de energia ambientalmente promissora, por ter água como efluente único em sua utilização. Porém, devido ao seu difícil manuseio, transporte e armazenamento, torna-se necessário o desenvolvimento de técnicas para produção deste combustível próxima ao seu uso. Para produção embarcada de H2 é necessário um reator catalítico que proporcione condições para a reação ocorrer em baixo tempo de residência, com inúmeros ciclos térmicos e de arranques e paradas. O objetivo desse trabalho é produzir e caracterizar monolitos catalíticos para as reações de reforma a vapor e oxidação parcial de etanol em reatores de baixo tempo de residência. Para isso, espumas cerâmicas comerciais de alumina (Al2O3) foram revestidas com partículas de alumina de 2 µm, formando um recobrimento em toda a superfície. Após o revestimento, foram impregnadas com níquel (Ni). Os monolitos produzidos foram caracterizados em microscópio eletrônico de varredura com emissão de campo (MEV-FEG), por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e por espectroscopia de fotoeléctrons excitados por raios-X (XPS). A atividade catalítica dos monolitos produzidos foi testada em reações de reforma a vapor (SR) e oxidação parcial de etanol (POX). Observou-se que as espumas com revestimento apresentaram menor teor do metal aderido sobre o suporte, porém, mais homogêneo. Foi observada a influência do teor mássico da pasta usada para recobrimento na espessura. Pastas com 3 imersões na pasta de 30 % em massa de Al2O3 apresentaram resultados semelhantes com espuma que foi imersa 1 vez na pasta de 40 %, o torna o processo de produção mais rápido. Por MEV observou-se que o processo de impregnação da fase ativa foi satisfatório. As partículas de Ni estavam aderidas em toda a superfície, apresentando boa dispersão em toda a camada de recobrimento. Com análises em XPS foi possível observar que as partículas de Ni impregnadas no monolito apresentavam espécies não-oxidadas, essenciais para atividades catalíticas, e que a impregnação de Ni alterou a superfície da espuma, tornando-a cataliticamente ativa. A temperatura de ignição do monolito de Ni/Al2O3 é de aproximadamente 392 ± 8 oC, para ambas as reações POX e SR. A camada de recobrimento apresentou influencia na atividade catalítica, tanto na conversão quanto na seletividade para ambas as reações. A maior conversão foi obtida nos testes de POX com recobrimento. A maior seletividade para H2 foi observada na reação de SR, quando utilizado monolito com recobrimento.

Abstract : Hydrogen (H2) is an environmentally promising energy source, having only water as its effluent when used. However, it is difficult to handling, transport and storage, which makes it necessary to develop techniques for H2 on-board production. For on-board production of H2, a catalytic reactor is required, providing conditions for the reaction to occur in low residence times, with numerous thermal cycles, start-ups and shut-downs. The objective of this work is to produce and characterize catalytic monoliths used as low residence time reactors for steam reforming and partial oxidation reactions of ethanol. Thus, alumina Al2O3 commercial foams were coated with 2 µm alumina particles, producing a coating on the entire foam surface. After coating, the monoliths were impregnated with nickel (Ni). The monoliths produced were characterized by scanning electron microscope with field emission gun (SEM-FEG), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The catalytic activity of monoliths was tested in the steam reforming and partial oxidation reaction of ethanol. It was observed that with washcoat the adhered mass content was lower, but more homogeneous. It was observed the influence of the content mass of the slurry used in washcoat. Foam with 3 immersions in the slurries with 30 % by weight of alumina showed similar results with foam that was immersed once in the slurry with 40 % by weight of alumina, making the production process faster. By SEM it was observed that the impregnation of the active phase was satisfactory. Ni particles were adhered to the entire surface, showing good dispersion throughout the coating layer. With XPS analysis it was possible to observe that the Ni particles impregnated in the monolith had non-oxidized species, providing an active catalytic surface on alumina foam. The ignition temperature of Ni/Al2O3 is around 392 ± 8 oC, for both SR and POX reactions. The coating layer influenced the catalytic activity in conversion and selectivity for both reactions. The highest conversion was obtained in the partial oxidation (POX) tests with washcoat. The highest selectivity for H2 was observed in the steam reforming (SR) when using monolith with washcoat.